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通过将无机纳米粒子分散到聚合物基体中制备聚合物基纳米复合材料已经成为近十几年来研究的热点。为了制备综合性能优异的纳米复合材料，将纳米粒子均匀地分散于聚合物基体中是非常重要的。但是，由于在熔融过程中的剪切力有限，再加上纳米粒子的高表面能，要想在熔融共混过程中实现纳米粒子的均匀分散非常困难，这就限制了纳米粒子对聚合物基体的增韧增强效果。
为了解决上述问题，本工作首先从提高纳米粒子在聚合物基体中的分散着手，然后逐步在应力双逾渗理论设想以及纳米粒子增韧聚合物的分子机理的指导下，设计了三种不同的方法制备纳米SiO<,2>填充聚丙烯(PP)复合材料，其实质是通过纳米粒子表面改性对粒子．粒子界面和粒子．基体界面进行双界面调控。研究了不同改性工艺条件对纳米粒子表面改性效果的影响，并采用多种手段对纳米粒子表面的改性效果进行了表征。采用常规的熔融共混方法制备了相应的纳米复合材料，探讨不同改性方法所诱导的复合材料中不同的微观结构以及最佳制备工艺。
本课题研究的主要结果如下：
(1)采用硅烷偶联剂KH570对纳米SiO<,2>进行表面预处理，使纳米si02表面带上双键。将KH570处理后的纳米SiO<,2>、丙烯酸丁酯(BA)、引发剂和PP熔融共混制备了高粒子含量的纳米复合材料母料。证明这种原位接枝反应可以使PBA成功地通过化学键接枝到纳米粒子的表面，降低纳米粒子的表面张力，提高纳米粒子表面的疏水性，使纳米粒子团聚体尺寸变小。母料的加入不影响聚丙烯的加工性能，且提高了复合材料的冲击强度、拉伸强度和断裂伸长率，起到了良好的增韧增强效果。对复合材料冲击断面和拉伸纵断面的SEM观察证明了改性纳米粒子与基体之间的强烈相互作用有利于应力的传递并诱导周围基体发生较大的塑性变形，从而消耗大量的能量。SiO<,2>-g-PBA粒子的出现没有改变聚丙烯的晶型，但是使PP结晶速率加快，球晶细化、不完整。
(2)将KH570预处理后的纳米SiO<,2>、单体BA、引发剂、交联剂和聚丙烯基体一起熔融共混制备得母料，再将母料进行稀释制备了不同纳米粒子含量的复合材料。在熔融共混的过程中，BA发生聚合并接枝到纳米SiO<,2>的表面，而且接枝PBA间形成交联，使改性纳米粒子处于一种交联的网络结构之中。与此同时，聚丙烯基体分子链穿过这个交联网络而形成一种类似半互穿网络(semi-IPN)的结构。通过这种原位交联反应形成的微结构既增强了改性纳米粒子团聚体本身的结构，又增强了团聚体．基体界面相互作用，从而大大提高了复合材料的冲击强度、拉伸强度和有效界面厚度。对复合材料拉伸纵断面和冲击断面的SEM观察发现SiO<,2>-c-PBA/PP复合材料的断面表现出强烈的基体屈服，从而间接地证明了这种类似半互穿网络结构有利于应力的传递，促进了纳米粒子周围基体的塑性变形，阻碍了裂纹的扩展。通过对复合材料非晶相的选择性刻蚀，发现纳米粒子在复合材料中主要分布在基体的非晶相，其增韧主要是通过对非晶相的影响而起作用的。此外，半互穿网络的引入诱导了少量聚丙烯β晶的形成，这种纤维状的β晶在外力下容易取向并重排，提供了一种附加的能量耗散。
(3)根据广泛应用的应力逾渗模型和本课题组前期提出的应力双逾渗结构的初步构想，设计并建立了一个关于纳米无机粒子增韧聚合物的应力双逾渗模型，发现这个模型能够对改性纳米无机粒子增韧聚合物的应力双逾渗行为进行很好的定性分析和粗略的定量分析。在此基础之上，对纳米SiO<,2>填充聚丙烯复合材料进行了粘弹表征，发现对于原位交联方法得到的纳米复合材料，由于内部所形成的类似半互穿网络的结构就如同一张网被许多根绳子穿过，从而提供了最强的粒子．粒子相互作用和粒子．基体界面粘结，使得复合材料具有最强的粘弹性能。对于原位接枝方法得到的纳米复合材料，由于接枝PBA之间的缠结以及基体分子链和接枝聚合物分子链之间的缠结使得基体．粒子之间和粒子．粒子之间获得了中等强度的相互作用，从而使复合材料的粘弹性能获得中等程度的增强。未改性纳米SiO<,2>由于其高的表面能以及和聚丙烯弱的相容性，在基体中形成大而松散的团聚体，使得未改性纳米SiO<,2>/PP复合材料表现出最弱的粘弹性能。
(4)在分子动力学模拟的指导下，为了提高纳米粒子在基体中的运动能力，采用辐照接枝的方法成功地将含氟聚合物接枝到纳米SiO<,2>的表面，然后将含氟聚合物接枝改性纳米SiO<,2>与聚丙烯基体熔融共混，制备得复合材料。改性纳米粒子在聚合物基体中形成丝状的微小团聚体且团聚体在基体中分散良好，所得复合材料与纯PP、SiO<,2>/PP复合材料和SiO<,2>-g-PBA/PP复合材料相比，有着更高的拉伸强度、断裂伸长率和冲击强度，说明这种接枝了含氟聚合物的纳米粒子的加入更显著地提高了聚丙烯基体的强度和韧性。含氟接枝聚合物的引入一方面降低了纳米粒子之间的相互作用，另一方面提高了粒子．基体界面相互作用，使得微小团聚体中的改性纳米粒子在应力作用下易于相对运动，进而使团聚体发生变形并取向重排，从而提供了一个额外的能量耗散机制，最终大幅度提高了复合材料的韧性。